jesd204b实战操作笔记

本篇的内容基于jesd204b接口的ADC和FPGA的硬件板卡，通过调用jesd204b ip核来一步步在FPGA内部实现高速ADC数据采集，jesd204b协议和xilinx 的jesd204 IP核相关基本知识已在前面多篇文章中详细介绍，这里不再叙述~

 

在该篇中，小青菜哥哥试图从一个初学者的视角来记录整个开发流程，力求做到每一个读者阅读完该笔记后都能快速开发基于jesd204b接口的FPGA-ADC数据采集，同时也确保几个月甚至几年后的本人已经遗忘了jesd204b开发细节后，通过阅读该笔记能够快速重新上手。

 

老话说得好：好记性不如烂笔头，想法不长久，文字永留存！

 

硬件工作环境

ADC：ADS52J90。FPGA：kintex7。供电：12V/4A 直流电源。该板卡最多外接32通道2Vpp模拟信号以及20路外部触发信号。数据传输接口方式有千兆以太网接口、高速光纤接口以及低速USB串口。需要用到的工具为万用表、示波器、信号发生器。

图1：硬件PCB

 

逻辑开发环境

Vivado2017.4和jesd204b ip核licence。

 

好了，接下里的正式进入开发主题：

 

开发目的：

小青菜哥哥一直致力于开发通用小尺寸的高速、多通道电子学数据采集系统。在ADC芯片的选型过程中发现，TI的ADC芯片-ADS52J90很适合小青菜哥哥的需求：该芯片在9mm x 15mm的面积上可以实现最高32通道/100MHz/14bit的连续波形采样，并且其输出数据的方式除了传统的clock-data-frame（CDF）接口外，还加入了最新的jesd204b接口。

如果小青菜哥哥采用传统的CDF方式，那意味着PCB布线量特别大、FPGA管脚占用非常多、硬件尺寸必然无法太小，因此就选择了结构非常简单的jesd204接口，随之而来的就是大量的研发工作。。。。。。，最后老天保佑，一切顺利~

 

ADC参数初探

拿到一款jesd204 接口的ADC后，我们首先要看一下它的jesd204链路参数。以本篇的ADS52J90芯片为例，如图2所示：

图2：ADC主要特性

 

1. 该款芯片内置了16个ADC（模数变换器），这16个ADC输出的数据通过jesd接口输出。
2. 这16个adc的数据通过2、4、或者8条lane输出，具体选哪种用户是可以选择的。
3. 每条lane的最高线速率是5Gbps。
4. 支持子类0、1和2。

 

该芯片的采样率、采样精度，采样通道数都有多种模式，用户可选择范围比较大，但必须最终满足每条lane的数据线速率不能高于5Gbps。

 

我们再来看看ADC数据的传输层数据结构。该ADC手册描述输出数据有“NORMAL PACKING MODE”和“ SINGLE CONVERTER PER OCTET MODE”两种模式，为了提高位传输效率，本人选择

了“NORMAL PACKING MODE”，如图3所示：

图3：不同的jesd接口操作模式

 

在实际操作演示时，小青菜哥哥通过ADC配置接口，选择了固定的ADC基本采样参数：即ADC的采样率为80MSPS、采样精度为12bit、采样通道为16，所有数据最终通过4条lane输出到FPGA（4个lane正好对应FPGA的一个GTX quad，比较整齐。。。。技术男强迫症犯了）。因此，在“NORMAL PACKING MODE”模式下，N=12，N’=12，F=6。

 

具体的传输层数据结构如图4所示：

图4：“NORMAL PACKING MODE”模式下的传输层数据结构

 

从图4也可以看出，F=6，采样数据没有contro bit 和tail bit填充，这样就保证了输出数据100%有效传输效率。

 

那么ADC的帧时钟是多少呢？手册上也已经给出了，如图5所示：帧时钟频率和ADC转换频率一样的，这里都为80MHz。

图5：jesd相关的时钟频率

 

基于以上信息，小青菜哥哥选择的工作模式的lane线速率就可以确定了：

帧时钟×帧字节数×每字节的bit数×8b/10b编码开销即为lane的工作线速率

80MHz×6×8×10/8=4.8Gbps

另外，还有一种更容易理解的线速率确定方式：

我们知道每条lane传输4个ADC的数据，而ADC采样率为80MHz，采样精度12bit，没有控制和tail bit，只要8b/10b编码，因此每条lane的线速率为：

80MHz采样率×12bit采样精度×4个ADC×10/8=4.8Gbps

 

另外，还有最后一个多帧参数K 需要确认。ADC数据手册给出了K的范围，即：Ceil (17 / Number of Octets per Frame) ≤ Multiframe Size (In Terms of Number of Frames)，即Ceil (17 / 6) ≤ K。因此K必须要大于等于3，小青菜哥哥决定K取4。

 

到现在为止jesd204的参数就确认完毕了，在这里就不一一介绍该芯片的其它功能了，该芯片的详细中文版介绍可以看小青菜哥哥以前的文章。

 

接下来我们来打开vivado，一步一步来完成FPGA-ADC数据采集的工程。在工程建立的过程中，小青菜哥哥还会反复提到上述的ADC芯片，因为在建立jesd204链路时，FPGA端的参数必须和ADC的参数保持一致~

 

如图6所示为新建的vivado工程“jesd204b_ads52j90”，匹配硬件的FPGA型号“xc7k325tffg900-2”，可以看到工程内部还没有任何文件：

图6：新建工程

 

接下里我们来例化jesd204 IP核，如图7所示：

图7：例化IP核

 

双击该IP核后打开了jesd204的配置界面，配置界面分成4个子界面：“Configuration”、“Shared Logic”、“Default Link Parameters”以及“JESD204 PHY Configuration”。我们下面将分别描述：

“Configuration”配置界面

如图8所示为“Configuration”配置界面，该界面有7个地方是需要用户来选择的

图8：“Configuration”配置界面

 

1：输入IP核名字

2：由于是ADC数据采集，因此FPGA的IP核应该设置成“Receive”

3：设置IP核内部的接收数据缓存器的字节长度。数据缓存器主要用来做lane之间的数据对齐和实现确定性延迟功能。字节长度是用户可选的，选得值越小越节约FPGA逻辑资源，但字节长度必须要超过F*K（本篇为6*4=24），因此选择了64，如果大家不清楚的话，直接选最大长度，绝对没问题。

4：lane数量：本篇为4条lane。

5：jesd204 IP核的AXI4-Lite配置时钟：默认为100MHz。对于ultrascale器件，频率范围为10MHz~200MHz，对于7系列器件，如果IP核的模式为“Include Shared Logic in example design” ，则频率范围为10MHz~200MHz；如果IP核的模式为“Include Shared Logic in core” ，则频率范围和Transceiver DRP时钟频率范围相同，本人选择了80MHz（80MHz为FPGA系统时钟，可以省去FPGA另外再提供100MHz时钟）；

6：该选项可以选择sysref信号被core clk的上升沿或下降沿采样，用于jesd204b子类1的确定性延迟功能。一般来说，外界提供的core clock和sysref是同源且上升沿对齐信号，因此在FPGA端最好选择在时钟下降沿采样sysref比较精确，具体描述可参考pg066的page-60。

7：用户决定IP核的core clk是否由glbclk(p/n)管脚输入。当refclk(p/n)频率不等于core clk时，必须外部输入core clk。本篇中的线速率为4.8Gbps，因此core clk为120MHz，所以本人将参考时钟输入频率也调成120MHz，这样IP核只需要一个120MHzd的参考时钟输入接口了。

 

“Shared Logic” 配置界面

如图9所示为“Shared Logic” 的配置界面：该界面只有两种选择，要么选择“Include Shared Logic in example design”，要么选择“Include Shared Logic in core”。对于大部分用户来说，选择“Include Shared Logic in core”就可以了，后期使用起来很简单。对于需要使用“transceiver sharing”这种高级功能的特殊用户来说，就需要选择“Include Shared Logic in example design”，以便自己可以修改IP核内部的部分代码。我们选择“Include Shared Logic in core”就可以了。

图9：“Shared Logic” 的配置界面

 

“Default Link Parameters” 配置界面

如图10所示为“Default Link Parameters” 的配置界面：该界面5个部分需要用户设置：

图10：“Default Link Parameters” 的配置界面

 

1：Default SYSREF Always：该选项用来配置LMFC计数器是否在每个SYSREF脉冲到来时都复位，或者只在SYSREF的第一个有效脉冲到来时复位，忽略以后的SYSREF信号。这里选择OFF即可。

2：Default SCR：在ADC端我们禁止了扰码功能，因此这里也将扰码功能关闭。扰码功能有利有弊，小青菜哥哥反正一直都不用该功能的~

3：Default F：从前面的ADC部分描述来看，这里F设置成6

4：Default K：从前面的ADC部分描述来看，这里K设置成4

5：Default SYSREF Required on Re-Sync：该选项用来选择每次链路重新同步时是否需要sysref信号，我们最好关闭它，默认链路同步时不需要该信号，只在SYNC拉高后的下一个LMFC上升沿同步就可以了，这样就方便许多。

 

“JESD204 PHY Configuration” 配置界面

如图11所示为“JESD204 PHY Configuration” 的配置界面：该界面6个部分，只有其中4个部分需要用户设置：

 

图11：“JESD204 PHY Configuration” 配置界面

 

1：Transceiver Type：这是由所选FPGA型号决定的，这里不能选择

2：Line Rate：前面已经计算过，当前需求的数据线速率为4.8Gbps

3：Reference Clock：由于线速率已确定4.8Gbps，而core clk为其1/40，即120MHz。所以为了不使用glbclk(p/n)，减少一路时钟输入，这里将Reference Clock 也设置成120MHz ，这样外部输入的glbclk(p/n)就可以由Reference Clock代替。

4：这里也没得选：只能是CPLL

5：DRP Clock Frequency：配置页面已经提到过，对于七系列器件，DRP clk和AXI4-Lite clock为同一时钟，所以这里也不可选了，只能为前面定下的80MHz。

6：不需要Transceiver的调试功能

 

至此，jesd204的IP核就配置完成了。例化该IP核后，其生成的ip核端口信息如下图12所示（带信号注释）：

 

图12：IP核例化代码

 

我们再看看小青菜哥哥建立的工程顶层接口文件，如图13所示：（带注释），接口其实真的很简单~

图13：顶层文件接口

 

小青菜哥哥的FPGA顶层文件主要包括以下8模块，如图14所示：

图14：顶层设计

 

1：PLL模块

该模块利用外部40MHz晶振和FPGA内部的PLL，产生2路时钟：其中一路10MHz，作为时钟芯片配置模块和ADC配置模块的运行时钟；另一路100MHz，本打算供给AXI4-lite配置模块时钟，后来发现不需要，这里就留着备用了。

2：时钟芯片配置模块

没啥可说的，就是看lmk04826的数据手册，通过SPI接口协议配置时钟芯片内的寄存器，产生整个系统所需的时钟和sysref信号。以前的文章详细讲述过~

3：ADC配置模块

通过SPI接口协议配置ADC芯片，使其工作在我们需要的jesd204参数状态，本篇中小青菜哥哥将ADC配置成了累加数，便于输出测试。以前的文章详细讲述过~

4：jesd204 IP核模块

调用前面的IP核即可

5：全局时钟模块

IP核会输出一路120MHz的core clk，供给用户使用。我们将该信号引入全局时钟模块，产生120MHz和80MHz全局时钟，作为ADC数据解析模块的时钟。另外80MHz时钟还可以作为AXI4-lite的配置时钟。

6：AXI4配置模块

配置jesd204 IP核的工作参数。这里需要注意的是配置的参数和ADC配置模块的参数要相同，比如F，K，N等参数。

7：ADC数据解析模块

由于IP核输出的数据是128bit位宽，在120MHz的时钟域下工作。而ADC采样时钟是80MHz，所以ADC数据解析模块的功能就是将总共4 lane的这些数据分离，变成16个ADC的12bit精度的连续采样数据。每款ADC芯片的数据组织结构(其实就是JESD204B的传输层数据结构)不一样，所以该模块不具有普适性，只针对本篇的需求~

8：逻辑分析仪

我们通过ILA逻辑分析仪来观察每一路的ADC采样数据，看是否正确。

 

如下图15所示为小青菜哥哥的jesd204 IP核信号的连接方式，供大家参考：

图15：IP核顶层代码

 

我们再看看数据解析模块的接口含有哪些信号，如图16：

图：16：数据解析模块顶层

 

我们再看看逻辑分析仪监测的数据情况，如图17为IP核输出的数据时序，这里我们看不出来ADC数据到底对不对，得到的都是ADC采样数据经过传输层分割后的数据。

图17：jesd IP核数据输出

 

进一步的我们看看最终还原的ADC数据到底对不对：由于小青菜哥哥将ADC配置成了发送累加数，所以说如果jesd204链路正常工作了，那么观察到的16路ADC采样数据肯定也是累加数，如图18所示：可以看到数据从0累加到4095，然后循环往复，正好对应我们在前面配置的12bit ADC精度。

 

图18：ADC累加数据

 

将ADC的累加数配置更改为采集正常输入信号后，我们外接了信号发生器，将信号发生器设置成发送正弦波，下图19是在FPGA内部监测到的一路正弦信号，其他路没有接信号，是噪声基线：

图19：正弦波模拟信号的输入测试

 

下图20是用该板卡和上面描述的方案实际在试验现场测试的3种放射源的混合能谱，看上去还可以吧！

图20：实际放射源测试结果

 

JESD204B IP核与ADC的实际操作就到这里了，其实只要明白了jesd204协议的基本内容和IP核各个端口的含义，开发起来并不复杂。我们主要还是要仔细阅读ADC数据手册，根据手册给出的参数来确定IP核的工作参数即可。希望大家看完以后都能够有所收获，获得收获的朋友们点个小红星吧 哈哈哈~~

 

 ~~我是小青菜哥哥，文章中有任何疑问请联系我本人.我的微信号：小青菜哥哥。公众号：小青菜哥哥的那些事~~